# Fileset

[New diamond paper.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/ec412022-c286-48d7-92ae-3194bfcf0be1/download)

## Creator

[劉 江偉](https://orcid.org/0000-0003-2580-7401), [寺地 徳之](https://orcid.org/0000-0002-7731-0547), [達 博](https://orcid.org/0000-0002-0785-8662), [小出 康夫](https://orcid.org/0000-0001-8321-9822)

## Rights

[In Copyright](http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/)

## Other metadata

[Binding energy calibration for diamond with Au4f during the XPS measurement](https://mdr.nims.go.jp/datasets/09561da9-36a8-4261-b31e-18a027f7529d)

## Fulltext

トビックスダイヤモンドの結合エネルギーの XPS評価における Au 4rを用いた補正物質・材料研究機構劉  江偉,寺地 徳之,達小出 康夫博 ,アプス トラクトx線光電了分光法 1を用いた表「Fllバ ンドベンディング評価では材料表面の炭素汚染に由来する C lsピ ーク (2848cv)を使つて補正されるが,ダ イヤモンド表面の場合ダイヤモンドからもc lsピ ークが現れるためダイヤモンドの結合エネルギーを補正することはできない その結果,正確な響i合エネルギーの測定が難 しく,酸化物/ダ イヤモンドヘテロ接合における界面バンドベンディングを決定するのも困iLで あつた 本研究では、ホウ素 ドープダイヤモンドに金のネットマスクを取り付けてチャージアップ2効果を抑え,標準的なAuゲピーク (83 96 cV)を 用いることにより,結合エネルギーを補正した このアプローチにより,AL03/ダ イヤモンドヘテロ接合の界山iバ ンドベンディングを口「視化することに成功した1 は じめにダイヤモンドは 広いバンドギャップ,高い熱伝導,高い絶縁破壊電界 優れた化学的安定性をもっているため ,パワーデバイスや過酷な環境 ドで動作するデバイスとしての応用が期待されている ダイヤモンドを使用した電子デバイスとしては MOSキ ャパシタや MOSFETな どが実証されており,こ れらは高出力,高周波数,高温での動作において優れた性能を発揮している.‐ダイヤモンドMosキ ャパシタや MOSFETの 性能を向 Lさせるには,酸化物とダイヤモンドの界面におけるバンド構造を把握することが重要である バンド構造からダイヤモンドMosキ ャパシタの漏れ電流や充電特性を改斉できる また,MosFETの しきい値電圧や安定性を理解することにも役立つ したがって,絶縁体 /ダ イヤモンド界面のバンド構造を明らかにすることは,よ り効率的で信頼性のあるダイヤモンドMosデバイスの設計・製造に貢献する1l  X線光電子分光法 (X― Ray PhOtoelectron Spectroscopy:XPS):サ ンブル表面にX線 を照射し,生 じる光電子のエネルギーを測定することで,サンブルの構成元素とその電子J犬態を分析することができる+2 チャージアップ :XPsあ るいはSEM(Scm血 ng[lcctron Microscopy)などで絶T―i体試卜|を測定している際,サ ンブルが帯電し,直切な結果が得られなくなる現象のことであるVo1 41 No 2(2025)絶縁体 /半導体界面のバンド構 i童 を調べるさまざまな方法があるが,X線光電子分光法 (XPS)は 試料の表面化学情報を提供し.バ ンドベンデイングを非破壊で測定できる点で特に優れている 例えば,水素終端ダイヤモンドやホウ素 ドープダイヤモンドにおける異なる酸化物絶縁体のバンドオフセットは,xPS減 1定結果から報告されている・5‐しかし,一般的に使用されている表面炭素汚染に出来するcl,ピ ーク (284 8 cV)を 用いて結合エネルギーを補正する方法は,炭素を含むダイヤモンドの場合には適用できず ,酸化物 /ダ イヤモンド接合のバンドベンデイングの呵視化を困難にしてきた本研究では,チ ャージアップ効果を抑えるためにダイヤモンドにに金 (Au)の ネット状マスクを作製 し,標準のAu 4/ピ ーク (83 96 cV)を 用いて結合エネルギーを補正することにより,Aち03/ダ イヤモンドヘテロ接合の界面バンド構 i査 を明らかにした2 サ ンプルの準備 と XPS測 定精密研磨された lb型 (100)高 圧合成結晶をダイヤモンド基板として用いた まず硫酸とlll酸からなる熱混酸で300℃ にて 3時 間処理 した その後,マ イクロ波プラズマ化学気相成長法によってホウ素 ドープダイヤモンドのエピタキシャル層を成長させた・  二次イオン質量分析法から,エピタキシャル層の厚さとホウ素濃度はそれぞれ 82511111と4× 105 on 3で ぁることを確認した次に, ダイヤモンドエビタキシャルサンプルに対 して再度上記の熱混酸処理を施すことで,黒 f告本目を除去 しダイヤモンド表面を水素終端から酸素終端に変換 した この処理後に, ダイヤモンドサンプルをアセ トン,エ タノール,純水の順に洗浄した 続いて,初回の高分解能 XPS測定を行い,Auマ スクなしのダイヤモンド表而の価電子帯とコアレベルのスペクトルを取得した次に,ダ イヤモンド表面にスピンコータでフォ トレジスト (LOR5Aと Aら214E)を 順次塗布 し,レ ーザ リソグラフイーにより238%の TⅣ船H溶液を用いて露光お よび現像 した その後,電 子ビーム蒸着によリダイヤモンド上に100 nmの ネット状のAuマ スクを形成した Auマ スクを形成したダイヤモンドのコアレベルスペクトルを得るため,再度 xPs測定を行った最後に,200℃ で AL03絶縁体を原子層堆積法によりAuマスクを付けたダイヤモンド上に堆積した 室温で TNLへH溶液にサンプルを 12分 問浸漬することで Auマ スク トのAL03膜 を除去した後,3回 目の XPS減1定を行い,AL03/ダイヤモンドのコアレベルスペクトルを取得した3.走査型電子顕微鏡像図 1(a)|[Auマ スクを形成した A1203/ダ イヤモンドの33(a)                 (b)図 l AL03/ダ イヤモンドサンプルの (a)走査型電子顕微鏡像,(b)XPS測定中の走査 X線像走査型電子顕微鏡像を,ま た図 1(b)に XPS測定中に取得 した走査 x線像をそれぞれ示す ネット状の Auマ スクには 10か所の位置補正用クロスパターン (十)があり,正方形グリッドの辺長は 200 μmである このサンプルでは,Au,AL03お よびダイヤモンドのスペク トルを同時に取得することができる4.ス ペク トルの結合エネルギーの補正 と A1203/ダイヤモン ドヘテロ接合の界面バ ン ド構造図 2(a)|こ ,結合エネルギーが補正されていない1大態のAuマ スクなしおよびAuマ スクありのダイヤモンドの C Isスペクトルを示す それぞれの結合エネルギーの測定値は283 23 cV,お よび 284 50 cVで あった 結合エネルギーの差 (∠E)が 1 27 cVであることから,低 ドービングレベルのホウ素が ドープされたダイヤモンドエピタキシャル層において,チャージアップつが生じている可能1生があるダイヤモンド  ∴(Auマスクあり)lliA1203(3 nm)/  1ダイヤモンド  「,1、4E=0 35 eV→:111::|11:11::1_r′||287 286  285  284  283  282結合エネルギー〔eV〕(a)C ls1 4[=1 58 eVA!203(3 nm)/ダイヤモンドA203(30 nm)/シリコン78      76      74結合エネルギー〔eV〕(c)A2p補正されたスペクトル (a)C ls,(b)286  285  284  283  282  281結合エネルギー〔eV〕(a)C ls（うｏ高鵬　ｕい（うｏア鵬　孤“280∬・■千ざl「二|=86        85        84        83        82結合エネルギー〔eV〕(b) Au 4み .2図 2 補正されないスベクトル (a)ダ イヤモンドの C lsスペクトルおよび(b)ダイヤモンドとA1203(3 nm)/ダ イヤモンド界面形成部からのAu 4ル /2ス く́クトル図 2(b)に ,Auマ スクを形成したサンプルにおけるダイヤモンド表面領域および Aち03/ダ イヤモンド接合領域で取得したんュ午2スペクトルを示す ダイヤモンド表面領域（うｏＭ徴　０い（うｏ高幽　価“14 12 10 8  6結合エネルギー〔eV〕(b)価電子帯4  2（うｏ高Щ　ｑいA203                   ψ CBO=0 43 eV/t前%■~∞MCBM´´́           1         0 37 eVダイヤモンド(d)バ ンド構 造A12p,および (d)A1203/ダ イヤモンドヘテロ接合のバンド構造図ダイヤモンドzlE=1 27 eV「馬AuマスクなしAuマスクあり ,・rl  lA203(30 nm)/シ リコンダイヤモンド(Auマスクなし)Jイ図 3 価電子帯,(c)NEW DIANIONDからはAu4/.2ス ペクトルの結合エネルギーは 83 97 cVと 測,こされ,理想値の 83 96 cVに ほぼ一致 した これは,XPS測定中でのダイヤモンドのチヤージアップがほとんどないことを示唆している 一方で,A1203/ダ イヤモンド接合領域かあは結合エネルギーが 84 15 eVに高シフトした これは Auマ スクがあっても,A1203/ダ イヤモンドでのチヤージアップが排除されていないことを意味している:図 3(a)に , ダイヤモンド表面と Aち03(3 nm)/ダ イヤモンド接合領域で取得された Cl,ス ペクトルを示す ダイヤモンド表面の C isス ペク トルの主要ピークは284 50 cVに観測された ダイヤモンド表面に Aち03を堆積すると,ピークエネルギーは284 15 cVに 下がることから,エ ネルギーシフト∠」は0 35 cVである図 3(b)に , ダイヤモンド表面と A1203(3011111)/シ リコン接合部で取得された価電子帯スペクトルを示す ダイヤモンドの価電子帯の最大値 (やЪM)を 決定する際,Auマスクの影響を考慮し,VBMの 決定には Auマスクなしのダイヤモンドを使用した ダイヤモンドの VBMは 0 85 cV,AttOFの VBMは 338 cVと 判定さオtた  |メ13(c)に , Aち 03(3 nin)/ダ イヤモンド接合部とA1203(30 nm)/シ リコン接合部で得られた Alレ スペクトルを示す アルミニウムー酸素結合の主要ピークはそれぞれ 72 99 cVと 74 57 cVに観測さオした図 3(d)に ,Aち03/ダ イヤモンドヘテロ接合界面のバンド構・・ を示す この図から, タイプ Iス トラドリングのバンド構成をもつことがわかる Aち03/ダ イヤモンドの価電子帯オフセット (やЪo)は 130 cVと 計算される ダイヤモンド (5 47 cV)と A1203(72eV)・ のバンドギャップエネルギー位置から,AL03/ダ イヤモンドの伝導バンドオフセット (CBO)は 0 43 cVと 推定される ホウ素の ドービング濃度が 4× 1015 cm 3で ぁるため,ホ ウ素 ドープダイヤモンドのバルクでのフェルミ準位ポテンシャルは約 0 37 cV'とした ホウ素 ドープダイヤモンド表面は崚素欠陥や固有欠陥が存在することで正の電荷をもち,表面に向かってバンドが下方に曲がり,VBMが 0 85 cVに なる (ダイヤモンド側の実線)原 子層堆積技術を用いてオゾン前駆体を使用して AL03を 形成すると, ダイヤモンドは引き続きAち03/ダイヤモンド界師に向かって ド方にバンドが曲がる (ダイヤモンド側の点線)しかし,バンディングエネルギーは低下しており, これは酸素欠陥に関するオゾン前駆体の修正に起因する可能性がある"5結  論本DF究では, ダイヤモンドの結合エネルギーの XPS評価において, ダイヤモンドサンプル表面に Auマ スクを形成し,Au 4/を 用いた補正方法が有効であることを説明したこの手法を用いることで,A1203/ダ イヤモンドのバンド曲線とバンド構造が明らかにした Auマ スクはまたダイヤモンドにおけるチャージアップ効果を抑制することにも有効であった この方法は,知円 法により他の炭素関連材料の正確な結合エネルギーを評価するうえでも有効である謝 辞本研究は,日 本学術振興会科学研究費補助金 (JP23K03966,20H05661お よび JP20H003133),Q― LEAP(JPMXS0118068379),JSTム ーンショット型研究開発事業 (PMJMS2062),総 務省グローバル量子暗号 i重信網構築のための研究開発 (JPM100316),内 閣府 sIPプログラム「先llt的量子技術基盤の社会課題への応用促進Jお よび文部科学省ナノテクノロジープラットフォームプログラム ARIM(JPMX円 223NM5006)の支援を受けている参 考 文 献1'  N Sahtl,S Kim,T Oishi and M KasulIEEE Elcctron Dcv Lct,43,pp1303‐ 130612022,2, X Yll,J Zllou,C Qi,Z CaO,Y Kollg and T Chcn:IEEE Elcctron Dcvl ett,39,pp 1373‐ 1376 (2019,3)J Litl、 「 Tcr句 1,B Da,H Oosato and Y Koidc:IEEL Iran Elcctron Dc、67,pp 168()-1685(2020)4,5'A lヽarёchal,M Aotlkar,C Va■ ce,C Rivicrc,D Lon、 J Pcrnot and LGilccracrt:Appl Phys Lett,107,141601(2015,J Liu,ヽ 1 1′iao,N71 1mura and Y Koidc:Appl Phys l ctt,101,25210812012)6, P Ncumann,J Wlachtr1lp and S Koizumi:Pllysica Status Solidi A,212,pp2365-2384 (2015)7)J A C Santalla Quantltativc〔 ,orc Lcvcl PhOtOelectron Spectroscopy,OnlineISBN:9781627053068,Morgan&Cl■ypool Publishcrs(2015'8' A TCO■ils:J Physi Condcns Mattcr,14,pp 3743 3750(2002)9, J Liu,T Tcrli,B Daand Y Koide:Appl Phys Lctt,124,07210312()211執筆者連絡先 一 ″́́L´″́″́″́″́́ ″́́――――――́―″́―́″́″́″́″́″́″黎1  江偉 (Jhngwci Llll'物質 材料研究機構次L代半導体グループL tt U_Jiangweionims_go_ョ p〒 3050044 茨城県つ くば市並木 114ヽo1 41 No 2(2025, J5